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Système de palier, notamment pour outils pour le forage du sol, La présente invention concerne les systèmes de paliers, en particulier ceux dénommés habituellement "paliers lisses ou de tourillonnement". Bien que l'invention soit décrite ici dans son application aux outils pour le forage du sol, en particulier aux trépans à molettes rotatives roulant sur la roche, on comprendra que les systèmes de paliers suivant l'invention peuvent être utilisés dans d'autres machines rotatives, chaque fois que les avantages fournis par l'invention peuvent être exploités.
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le système de palier couramment utilité pour le montage des molettes de trépans sur les axes de portât cylindriques épaulés entendant vers le bas et vers l'intérieur à partir du corps du trépan comprend de façon presque universelle une combinaison de paliers à friction et anti-friction, ce dernier étant formé notamment par un jeu de rouleaux et par un jeu de billes disposés dans des guides ou chemins de roulement appareillés de la molette et de l'axe de portée afin d'absor- ber le poids de la charge radiale, bien que les billes résistent également aux charges de poussée orientées axiale ment par rapport à l'ensemble et servent en outre au verrouillage de la molette sur son axe.
Les paliers à friction de ces systèmes ou ensembles peuvent se présenter sous la forme d'un coussinet Introduit à force dans la molette et disposé de façon à prendre appui contre la portée inférieure la plus petite de l'axe, formant un axe-pilote, pour absorber la charge radiale, et d'un disque de butée engagé à force dans la partie interne de la molette afin de prendre appui contre l'extrémité externe non supportée de cet axe-pilote,
Ltépaulement ménagé entre l'axe-pilote et l'embase plus large de l'axe de portée sert également dans un grand nombre de cas de surface de butée et est souvent dénommé épaulement ou bride de butée.
Bien que ces systèmes de paliers donnent des résultats remarquables lors du forage dans la plupart des terrains, dans les conditions généralement rencontrées, ils présentent certains inconvénients. Ainsi, les guidas ou chemins de roulement des rouleaux cèdent parfois par fatigue avant que le système de coupe de certains trépans ne soit complètement émoussé, en particulier dans le cas des trépans utilisés pour le forage en terrains durs, qui comportent pour former le système de coupe des pastilles cylindriques en carbure de
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tungstène comprimé et qui ont été lancés sur le marché par la société HUGHES TOOL COMPANT sous la dénomination "HUCHESET".
Un second inconvénient, qui est 116 en particulier aux paliers de roulement, réside dans le fait que l'espace ménagé dans les chemins de roulement pour la réception des rouleaux ne peut être obtenu qu'en réduisant la quantité de métal formant l'axe de portée, l'épaisseur de l'enveloppe de la molette, ou ces deux paramètres, Cet inconvénient est à l'origine d'un grand nombre de tentatives faites pour supprimer les paliers à rouleaux et revenir aux paliers lisses qui étaient utilisés dans les premières années de l'industrie de fabrication d'outils pour le forage du sol, paliers qui ont été abandonnés en faveur du type composite mentionné ci-avant,
car ils ne pervaient pas être lubrifiés pendant un laps de temps suffisant pour avoir une durée de service égale à celle des systèmes de coupe utilisés vers la fin de la période préliminaire de développement de cette industrie.
En ce qui concerne le coussinet et le disque de butée (qui forment conjointement le -palier du nés du trépan') indiquée ci-avant, on ne rencontre que peu de difficultés tant que les trépans considérés sont utilisés avec les boues de forage employées presque exclusivement jusqu'à ces ders nières années.
Mais lors de l'utilisation d'air et d'autres gaz comme fluide de forage, les surfaces de portée* de certains coussinets fabriqués jusqu'ici commancent à s'user à des vitesses très élevées. Alorsque jusqu'ici la surface périphérique des coussinets s'usait asses lentement pour stabiliser l'ensemble, même s'il se produisait une usure considérablement plus importante dans les paliers anti-frietien, les deux types de paliers s'usent rapidement dans les fluides nouvellement utilisés, et la molette devient lache sur
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son axe, ce qui peut provoquer son inclinaison et son battement;
avec le temps, elle vient alors s'engager dans les molettes voisines, oe qui provoque un blocage de l'ensemble et d'autre perturbations lors du fonctionnement.
Au cours des essais précités ayant pour but de substituer un palier lisse aux rouleaux communément utilisés dans les trépans modernes pour le forage du sol, on a supposé habituelle- ment que chacune des surfaces coopérant par friction doit être formée par un seul matériau ayant une très grande dureté.
De même, on a supposé que chaque surface de portée travaillant à la friction, prévus sur le coussinet, l'axepilote et le disque de butée, doit être en un matériau unique extrêmement dur.
Les matériaux utilisés dans d'autres machines rotatives pour former des paliers lisses montrent par contre que, dans l'esprit des constructeurs, l'une au moins des surfaces tournant l'une par rapport à l'autre doit tre en un matériau unique plus tendre.
Etant donné que l'on ne trouve pas, dans la technique antérieure, de systèmes de paliers de tourillonnement conve- nables, le but principal de l'invention est de créer un tel système de palier de tourillonnement combinant les caractéristi- ques de résistance à l'usure et de résistance à la surchauffe et (ou) au grippage auxquels ces systèmes sont soumis,
Un autre but de 1* invention est de créer un système dans lequel deux éléments pouvant tourner l'un par rapport à l'autre sont disposés de telle sorte qu'une partie au moins de l'un de ces éléments soit tourillonnée par rapport à l'autre,
l'une au moins des surfaces ainsi conjuguées combinant des caractéristiques de résistance à l'abrasion et de résistance à la sur- chauffe et au grippait
Un autre but de l'invention est de créer un palier terminal ou -palier de nez" à friction utilisable entre l'axe de portée
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et la molette d'un trépan rotatif pour le forage du sol comportant, sur l'une au moins des surfaces tournant l'une par rapport à l'autre, des matériaux ayant des qualités de résistance élevée à l'usure et de bonne résistance à la surchauffe et au grippage.
Un autre but encore de l'invention est de créer un palier terminal de ce type dans lequel la surface cylindrique du coussinet qui est introduit à force dana la molette et qui tourne par rapport à la surface également cylindrique de l'axepilote est constituée par des matériaux tels que cette sur face résiste à la fois à l'usure et à la surchauffe et au grippage quand le trépan est utilisé avec une boue, de l'eau, de l'air ou d'autres fluides de forage.
L'invention a encore peur but de créer un système de palier de tourillonnement pour trépans rotatifs pour le forage du sol destiné à remplacer les paliers à rouleaux communément utilisés jusqu'ici pour le montage des molettes rotatives sur les axes de portée associés de ces trépans,'ce palier de tourillonnement ayant de bonnes caractéristiques de résistance à l'abrasion et de résistance à la surchauffe et au grippage.
En d'autres termes, l'un des buts de l'invention est de créer un trépan pour le forage du sol dans lequel les molettes rotatives sont montées sur des axes de portée par des paliers qui sont presque entièrement du type à friction, des paliers anti-friction n'étant utilisés que de façon éventuelle pour retenir les molettes sur les axes de portée, les surfaces de portée présentant à la fois une bonne résistance à l'usure et une bonne résistance à la surchauffe et au grippage.
D'autres buts et avantages encore de l'invention appa- raitront à la lecture de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, donnés à titre non limitatifs et sur lesquels :-
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La fig: 1 ont une vue en élévation avec coupe partielle montrant un trépan à trois molettes comportant un* combinai- son classique de paliers à rouleaux, à billes et à surface lisse, ce trépan utilisant de l'air ou un gaz circulant dans ces paliers pour les lubrifier et les refroidir.
La fig. 2 est une vue en coupe verticale de l'un des trois bras du trépan à molettes représenté ci-avant, comportant exclusivement des paliers lisses, sauf en ce qui concerne un roulement & billes, ainsi qu'un système servant à lubrifier ces surfaces avec de l'huile ou de la graisse.
La fige 3 est une vue en perspective d'un coussinet qui est introduit à force dans la partie inférieure de la cavité formant portée d'une molette rotative, afin de constituer une surface de portée cylindrique. Comme montré, cette surface est fendue longitudinalement et est remplie avec un métal mou ou tendre, afin de présenter des zones en acier dur résistant à l'usure et des zones alternées en métal tendre anti-friction, ces zones coopérant avec la surface de portée opposée en fournissant des caractéristiques supérieures de résistance a l'usure.
La fig. 3A montre une rainure de forme hélicoïdale corres- pondant à une variante du mode de réalisation précédent.
La fig. 4 montre un autre mode de mise en oeuvre de l'invention résultant de l'application de métal anti-friction tendre dans des fentes ménagées dans la partie avant dure non rotative de l'axe de tourillonnement, communément dénommé axe- pilote,
La fig, 4A montre une application de l'invention selon laquelle les fentes sont usinées dans une couche d'alliage dur à base de cobalt ou de fer du type communément utilisé pour former les surfaces de portée et de tourillonnement des trépans pour le forage du sol.
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La fig. 5A montre une surface de portée cylindrique suivant l'invention prévue dans la cavité supérieure de la molette, cette surface remplaçant le palier à rouleaux qui est disposé habituellement dans cette zone.
Les fig. 5B, 50, 5D et 5E représentent d'autres fentes ou gorges prévues dans la surface de portée d'une manière analogue à celle visible sur la fig. 1, l'invention permettant d'utiliser n'importe quelle forme de dépression obtenue par usinage,
Les fig, 6A et 6B, montrent des variantes de réalisation de l'invention selon lesquelles on utilise des incrustations en métal anti-friction tendre dans l'axe fixe du trépan, dans la zone dans laquelle on dispose habituellement un palier à rouleaux dans les trépans de forage usuels.
La fig. 7 est une vue en demi-coupe prise en regardant dans la direction des flèches 7-7 sur la fig. 5A, montrant la disposition et la configuration des fentes remplies d'alliage.
La fig. 8 est une vue en coupe montrant les fentes, prise en regardant dans la direction des flèches 8-8 sur la fig. 6A.
La fige 9 montre les fentes remplies de métal suivant l'invention prévues dans la bride de butée qui coupe l'axe- pilote porté par l'arbre fixe. On a représenté également l'ex- trémité de l'axe-pilote, qui est munie d'une cavité remplie d'alliage durs classique de la série des "Stellites", comme cela est le cas habituellement pour les axes-pilotes des trépans de forage.
La fig. 10 montre un disque de butée qui est habituellement introduit à force et retenu dans la partie inférieure de la cavité de montage de la molette, comme visible sur la fig, 1, afin de venir coopérer avec l'extrémité de l'axe-pilote pour résister aux forces de poussées axiales. La surface de butée dure de ce disque présente une gorge remplie de métal tendre suivant l'invention.
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La fig, 11 est un graphique comparant le fonctionnement dans l'air de coussiuets du type représenté sur la fig. 3 et de coussinets normaux, c'est-à-dire comportant une surface de portée en acier allié trempé.
La fig. 12 est un graphique montrant les résultats d'essais obtenus avec des systèmes analogues, mais travaillant dans l'eau.
La fig. 13 est un graphique formé de rectangles allongea, montrant les résultats obtenus suivant l'invention pour différentes formes de fentes et l'effet du pourcentage d'ar- gent contenu dans les incrustations en métal tendre.
La fig, 14 est un graphique analogue montrant les résultats d'essais effectués sur une surface de touriUonne. ment fixe comme visible sur la fig. 4 lors d'un fonc- tionnement dans l'air et dans une boue de forage formée par une bouillie de bentonite et d'eau avec de la silice pulvérulente, d'une manière en soi bien connue pour le forage des puits de pétrole. lors de la description de l'invention, on se référera de façon répétée aux paliers montés dans les trépans pour le forage du sol tels que ceux représentés sur les fig. 1 et 3.
Ces sytèmes sont choisis à titre illustratif pour l'application de l'invention à cause des efforts importants et des conditions de travail auxquels ils sont soumis* et également à cause du succès remarquable de l'invention dans son application auxdits systèmes. Toutefois, l'invention n'y est pas limitée et est applicable à toutes les surfaces de portée.
Elle n'est pas limitée non plus à la terminologie particulière utilisée ici et couvre tous les équivalents agissant d'une façon analogue pour fournir un résultat similaire.
Les trépane pour le forage du sol tels que ceux repré. sentés sur la fig. 1 comportent, de façon usuelle, une queue uzinée 7, généralement conique et filetée (comme montré), qui
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relie le trépan à la colonne de tiges (non représentée).
Cette queue est prévue à l'extrémité supérieure du corps 8 du trépan, qui est généralement en acier à haute résistance.
Plusieurs bras 6¯ s'étendent vers le bas à partir du corps 8, et un axe de portée 9 s'étend vers l'intérieur et vers le bas à partir de chaque bras. Plusieurs surfaces de portée sont ménagées sur chaque axe 9 pour le montage d'une molette rotative 10. Chaque molette présente des dents en saillie 11, qui sont usinées sur sa surface externe ou qui sont introduites dans des trous prévus dans cette molette (non représentés), ces dents servant à entailler et à désagréger le fond du trou foré ou 'front de taille" lorsque les molettes tournent autour de l'axe longitudinal 12 du trépan.
Lors du forage de trous dans le sol, des forces élevées sont appliquées axialement au trépan par l'intermédiaire de la colonne de tiges et sont transmises nécessairement par les surfaces de portée des molettes 10 et de l'axe 9.
La durée de service du trépan est déterminée par la durée utile des dents 11 ou par la durée utile des surfaces de portée, selon celle qui est la plus courte. Par suite, la totalité de l'espace disponible est utilisée sur l'axe de portée 9 pour éviter qu'il ne s'use trop rapidement par rapport aux dents 11 de la molette, et on a montré d'une façon générale sur la fig. 1 comment le résultat désiré est obtenu.
La partie la plus profonde de la cavité de portée mena* gée dans la molette reçoit à force un disque ou une pastille de butée 14 en acier allié à haute résistance, qui coopère avec l'extrémité inférieure 15 de l'axe de portée 9 pour supporter cette extrémité en antagonisme à l'action des forces de poussée, c'est-à-dire des forces qui sont transmises entre la molette 10 et l'axe de portée 2. parallèlement à l'axe de rotation 13 de cette molette.
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La surface de portée cylindrique voisine 16 prévue sur la partie pilote 22 de l'axe de portée 2. coopère avec une surface appareillée 1 d'un coussinet ± ayant la forme générale représentée sur la fig. 3. Ce coussinet 1 est engagé à force dans une cavité de la molette, juste au-dessus du disque de butée 3,4.. et il tourne avec cette molette, de la même manière que ce disque de butée.
Le palier suivant est formé habituellement par un roulement à billes 17, qui comprend un chemin de roulement 21 ménagé dans la molette 10 et un chemin de roulement 21' ménagé dans l'axe de portée 9, ces chemins de roulement retenant des billes rotatives 21" ayant pour double rôle de supporter les poussées et les charges radiales et de retenir la molette sur l'axe de portée.
Enfin, le palier supérieur est habituellement formé par un roulement à rouleaux 18 comportant un chemin de roulement 18' ménagé dans la molette et un chemin de roulement conjugué 19 i 'nagé dans l'axe de portée, dans lesquels les rouleaux 20 sont assemblés.
Lorsque cela est possible, il est judicieux de lubrifier les surfaces de portée$ décrites ci-avant pour augmenter leurs durées de service. On parvient à ce résultat par deux procédés principaux, dont l'un est représenté sur la fig. 1, sur laquelle la référence 30 désigne un canal central ménagé dans le corps du trépan. Lorsque l'on utilise de l'air, un gaz ou un autre fluide compressible comme agent ou milieu de circulation, une partie de cet agent traverse ce canal, le trou foré 31, le canal en principe horizontal 32 et parvient dans le roulement à billes 17.
Une autre méthode est utilisée si l'on assure la circu- lation d'eau, de boue de forage ou d'autres fluides non com- pressibles, car il est généralement judicieux de réaliser
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l'étanchéité des paliers et de les lubrifier avec de l'huile ou de la graisse pour éviter la pénétration des agents de contamination qui sont contenus dans les fluides de forage.
On peut parvenir à se résultat en prévoyant un diaphragme flexible plié 33 logé dana une cavité 34 qui est ensuite remplie d'huile ou de graisse. Au fur et à Maure que le trépan pénètre dans le sol, la pression hydrostatique extra', par la colonne de fluide qui se trouve dans l'espace annulaire augmente, ce qui provoque le redressement de l'élément flexible 33. Ceci refoule l'huile ou la graisse à travers un perçage '-2. et le canal, en principe horizontal 32, jusque dans le roulement à billes 17. L'élément d'étanchéité 37 retient le lubrifiant dans le système.
Un problème qui se pose de façon répétée à propos de la série de surfaces de portée décrite ci-ayant est l'usure rapide du coussinet 1 et de l'axe-pilote 22 qui résulte indubita. blement du grippage aous l'effet de la chaleur résultant de la friction dans cette sone difficile à refroidir.
Afin de remédier & cet inconvénient, l'invention est appliquée au coussi. net de la manière montrée sur la fig. 3, sur laquelle la référence 1 désigne une surface de portée. On a désigné par la référence g, le métal anti-friction tendre qui est utilisé pour remplir des fentes usinées parallèlement à l'axe longi- tudinal du coussinet, et par la référence 3 les bandes ou plages alternées d'acier trempé séparant et supportant le métal tendre.
Si l'on ae reporte au système représenté sur la fig. 3, on peut considérer d'une façon générale que l'invention con- cerne une surface de portée présentant des sone. alternées en métal dur et en métal tendre. Le métal dur utilisé comme embase est constitué par de l'acier carburé ou cémenté, de l'acier allié, ou un autre alliage dur tels que ceux A base de
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fer ou de cobalt, Des gorges, des fentes ou d'autres dépressions profondes usinées sont ménagées dans la surface du métal de base dur, et un métal tendre ayant de bonnes caractéristiques s'opposant au grippage anti-fristion et d'autres caractéristiques de portée désirables est introduit dans ces dépressions.
En conséquence,, on obtient sur la surface de portée un système composite présentant des zones en métal dur ayant une résistance excellente à l'abrasion et dea sones en .étal tendre ayant d'excellentes caractéristiques s'opposant au grippage. L'utilisation de toutes usinées ou de dépressions permet de ménager un réservoir profond qui Maure une exposition permanente de couches additionnelles de métal ; tendre s'opposant au grippage. Ainsi, le système peut fonc- ' tionner même lorsqu'il s'est produit une usure importante, du fait que des zones alternées de métal dur et de métal mou ou tendre continuent d'être exposées pendant des laps de temps notables.
Le métal de base dur peut être de l'acier cémenté et traité thermiquement, ayant une profondeur de cémentation égale à 2,5 =.par exemple, et les gorges remplies de métal tendre peuvent avoir une profondeur analogue.
En conséquence, les zones alternées continuent d'être exposées tant que l'usure ne dépasse pas cette profondeur.
Il est remarquable de constater que la résistance du système est égale à celle d'une surface formée simplement par de l'acier carburé ou cémenté. Un technicien spécialisé dans ce domaine penserait que l'enlèvement de métal dur ayant une résistance élevée à la traction, au cisaillement et à la compression et le remplissage des fentes par du métal ten- dre pourrait réduire de façon importante la capacité de charge du système. Les essais qui seront décrits ci-après indiquent que ceci n'est pas le cas. Au contraire, la capacité de charge
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est suffisante pour permettre l'application de l'invention à des paliers de trépans pour le forage du sol qui sont soumis à l'effet de charges extrêmement grandes.
Il est également remarquable de constater que l'alliage tendre demeure dans les fentes usinées même s'il n'existe que peu ou pas de liaison entre ces incrustations en métal tendre et le métal de base dur. Une question qui s'est posée dans cette technique est le caractère désirable et la nécessité de réaliser une liaison correcte, mais l'invention montre que cet objectif difficile et coûteux à atteindre n'est pas primordiale Si l'on considère, à titre d'exemple, que les rainures ou gorges 2 remplies d'alliage prévues dans le palier représenté sur la fig. 3 ont une largeur allant de 1,6 à 2,4 mm, et r@e profondeur égale a 1,2 mm.
chacune, la liaison éventuellement prévue est limitée aux petites zones voisines de la jonction entre le métal dur et le métal tendre, Or le système fonctionne de façon remarquable même si la zone ou surface du métal ainsi fixé est très faible par rapport au volume total de l'incrustation en métal tendre. Par ailleurs, on a effectua des essaie sur des éprouvettes comportant des incrustations en alliage d'argent tendre introduites par des moyens mécanique dans la position voulue, sans aucune liaison. Les résultats obtenus ont été analogues à ceux fournis par des éprouvettes dans lesquelles une liaison était prévue.
On a représenté sur la fige 3 une variante d'usinage des rainures dans le métal de base dur formant le coussinet 5'.Comme montré, une entaille hélicoïdale est effectuée dans la surface 1!. du palier; cette entaille produit une rainure unique continue dans laquelle l'incrustation tendre 2' est introduite.
Le système fonctionne de façon satisfaisante' par rapport à celui représenté sur la fig. 3, ce qui indique que la forme particulière choisie pour la rainure profonde n'est
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pas trop critique, Dans ce cas, les plages 3' en métal de base ont une largeur égale à 1,6 mm et la largeur de la. fente est également de 1,6 mm,
L'invention est applicable à d'autres surfaces de portée, comme montré sur les fig. 5A à 5E, sur lesquelles on a représenté un palier lisse qui remplace le roulement à rouleaux usuel 18 visible sur la fig. 1. Sur les fig. 5A et 5D, les dépressions 23 et 23''' remplies de métal tendre sont usinées parallèlement 4 l'axe de rotation 13 de la molette (qui coïncide avec l'axe géométrique de l'axe de portée) en mena* géant des plages 25 et 25''' en métal de base.
Les dépressions 23l ot 23''' remplies de métal tendre se terminent avant d'atteindre l'extrémité de la surf ace de portée, afin de ménager des plages additionnelles Si et 24''' en métal de base aux extrémités des fentes, pour empêcher i'extrusion du métal tendre à partir des fentes. En outre, l'invention est applica- ble de façon évidente à des trépans pour le forage du sol composant des paliers qui sont entièrement du type à friction.
L'application a de tels systèmes est particulièrement avanta* Couse, étant donné qu'il suffit de prévoir un très petit nom- bre de fentes remplies par des incrustations. Par exemple, un essai décrit plus loin montre que quatre fentes (comme montré sur la fig, 5D) suffisent pour fournir des résultats remar- quables.
Sur la fig. 7, une vue en coupe à travers la molette représentée sur la fig. 5A montre plus en détail la manière selon laquelle les fentes sont usinées dans la surface de portée visible sur cette fige 5A, Ces fentes 23 ont une pro- fondeur de 1,6 mm, environ et une largeur de 1,6 mm, et elles sont séparées par des plages 25 ayant une largeur analogue.
On a représenté sur la fig. 10 un troisième système rotatif auquel l'invention est applicable, cette figure
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montrant une tente circulaire 27 ménagée dans le disque de butée 14* et renfermant une masse de métal tendre 28.
La fente est excentrique par rapport à la périphérie circulaire extérieure 29 du disque de butée, afin d'amener le métal tendre en contact avec une zone importante de l'extrémité
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inférieure 1,, de l'axe-pilote 22 lors de la rotation du disque jL±ï, avec la molette 10,
Dans toutes les applications qui précèdent, l'élément 'fixe présente de préférence une surface dure ayant de bonnes caractéristiques de résistance à l'usure et est,par exemple, en acier carburé ou cémenté ou en acier portant une couche externe d'alliage dur à base de fer ou de cobalt.
Le mode de réalisation représenté sur la fig, 3 et
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auquel on s'est référé pr:1nc:lpal "ent ci-avant est obtenu de la façon suivante:-
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On usine le coussinet % sensiblement a ses dimensions finales, mais en laissant une quantité suffisante de matière
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pour permettre une rectification après le traitement their- mique, pour obtenir le jeu approprié entre les surfaces de
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portée appareillées.
Le métal du coussinot correspond 4 la Borne 430 de l' .DIERICAI IRON STEEL IUSTITUTE (AISI)O et métal étant choisi en raison de sa faculté de trompe après carbura. tion et de sa propriété de conserver Da dureté w..1.1cr' la cha-:. leur résultant de la friction. On usine dans la surface de portée 1 visible sur la fig. 3 23 rainures longitudinales
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rectiligne. ayant une profondeur de 0,8 à 1,2 ça.et une largeur égale à 1,6 mm, ce qui ménage des plages \ ayant une largeur de 1,6 mm, et on soumet ensuite le coussinet à une
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cémentation sur une profondeur allant de 2,25 à 2,5 mm. avant qu'il ne soit soumis à des conditions de travail sévères.
Un
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alliage d'agent formé de 15% de manganèse et 85% d'argent est introduit dans les fentes en utilisant un processus de brasage normal. Les plages cémentées sont ensuite trempées à l'huile ou à l'air à des températures allant de 927 à 982 C, dans une atmosphère formée par un gaz naturel, 'afin d'obtenir une dureté Rockwell C égale à 65 environ. Le diamètre intérieur du coussinet est ensuite rectifié pour éliminer les dépôts, les corps étrangers et les déformations résultante du traitement thermique.
On obtient des améliorations remarquables de la durée de service de paliers lisses fabriqués suivant l'invention, comme cela est mis en évidence sur la fig. 11. Sur cette figure, sur laquelle on a porta en abscisses les temps en heures et en ordonnées l'usure en mm sur le diamètre du coussinet ou de l'arbre, on a indiqué des résultats d'essais au cours desquels on conjugue des coussinets du type repré- senté sur la fig, 3 (comportât des incrustations en métal tendre) .. des arbres normaux (ne comportant pas d'incrusta- tions en métal tendre), et également les résultats d'essais effectués en combinant des coussinets normaux (sans incrustations en métal tendre) avec des arbres normaux,
Tous ces systèmes sont essayés dans une position en principe horizontale, sous une charge verticale statique égale à 2.250 kg environ à 83 tours minute en utilisant de l'air comme agent de circulation, de refroidissement et de lubrification,
La référence 43 désigne une courbe montrant la progression de l'usure sur le diamètre d'un arbre normal (ne comportant pas d'incrustations en métal tendre) tournant dans un coussinet normal (sans incrustations en métal tendre) et la référence 44 désigne l'évolution de l'usure sur le diamètre du coussinet. L'arbre est en acier allié cémenté de type AISI 8 720 et a un diamètre égal à 22,85 mm;
la surface de cet
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arbre soumise à la charge statique porte une couche d'une épaisseur de 1,6 mm en alliage à surface dure à base de fer, ayant une dureté Rockwell C allant de 62 à 65. On fabrique le coussinet en acier AISI 430 carbur6, présentant une épaisseur de cémentation allant de 2,25 à 2,5 mm, cet acier étant trempé à l'air à partir d'une température de 982 C de manière à obtenir une dureté Rockwell C allant de 65 à 68.
Ces systèmes sont considérée comme des systèmes normaux au cours des essais en laboratoire, étant donné qu'ils sont identiques, au point de vue dimensions, matières et traitement métallurgique, à des axes-pilotes et à des coussi- nets de type couramment utilisé dans un grand nombre de paliers pour trépans servant au forage du sol.
Ainsi, les courbes 43 et 44 indiquent le degré d'usure sur le diamètre qui serait obtenu sur des surfaces de portée identiques utilisées dans un trépan lors d'un fonctionnement dans des conditions analogues à celles correspondant à l'essai,
La référence 45 désigne une courbe indiquant la performance d'un arbre normal (fabriqué de façon identique à celui de l'arbre dont l'usure est représentée par la courbe 43) lors d'un casai au cours duquel il est combiné à un coussinet renfermant des incrustations en métal tendre comme montré sur la fig. 3. Ce coussinet est fabriqué en acier allié AISI 430 et présente 23 fontes d'une largeur de 1,6 mm.et d'une profondeur égale à 1,2 mm, ménageant des plages en métal de base d'une largeur de 1,6 mm.
Il est cémenté sur une épaisseur allant de 2,25 à 2,5 mm.avant l'application d'un alliage tendre renfermant 50% d'argent, 15,5 de cuivre, 15,5% de zinc, 16% de cadmium et 3% de nickel.La courbe indique l'usure sur un diamètre de ce coussinet lorsqu'il coopère avec un arbre correspondant à la courbe ,, dans les mêmes conditions que celles qui sont utilisées quand on essaie les systèmes correspondant aux courbes 43 et 44.
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La référence 47 désigne une courbe indiquant la perfor- mance d'un arbre identique à ceux correspondant aux courbes 42. et lorsqu'on le soumet à un essai en combinaison avec un coussinet analogue à celui correspondant à la courbe 46, mais présentant des incrustations tendres renfermant 85% d'argent et 15% de manganèse. La courbe 48 montre l'usure du coussinet appareillé lors d'un essai effectué dans des condi- tions identiques a celles de l'autre essai illustré par la fig, 11.
Cette fig, 11 met donc en évidence les caractéristiques de résistance à l'usure supérieures obtenues lors de l'ap- plication de l'invention à des surfaces de portée quand on utilise de l'air comme agent de circulation. En comparant l'usure des trois systèmes après un temps de travail de
50 heures, on voit que l'usure diamétrale totale d'un système standard est égale à 3,55 mm. (1,40 + 2,15), tandis que l'usure totaledu système utilisant un alliage à 50% d'argent dans le coussinet n'est que de 1,09 mm, l'usure du système utilisant un alliage d'argent à 85% dans le coussinet étant 'gale 1. 0,78m.
Quand on utilise de l'eau comme agent de circulation, on obtient les résultats remarquables indiqués sur la fig. 12, les coordonnées étant les mêmes que précédemment. Dans ce cas, les courbes 49 et 50 indiquent respectivement la performance d'un arbre et d'un coussinet normaux (las matériaux et le traitement métallurgique sont identiques aux échantillons normaux dont la performance est illustrée sur la fig, 11) lors d'un essai effectué sous une charge de 2.50 kg à 83 tours/ minute. La courbe 51 indique la performance obtenue dans les mêmes conditions pour un coussinet fabriqué de façon identique à ceux décrits ci-avant mais présentant 23 rainures longitu- dinales remplies d'un alliage renfermant 85% d'argent et 15% de manganèse .
La référence 52 désigne une courbe indiquant la performance de l'arbre normal appareillé.
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En conséquence, les résultats représentés par la fig.
12 justifient l'application de l'invention à des paliers travaillant dans l'eau.
Etant donné que les résultats des essais représentés sur la fig, 11 indiquent qu'un alliage d'argent renfermant 85% d'argent donne des résultats supérieurs à un alliage renfermant seulement 50% d'argent, d'autres essais ont été effectués pour déterminer la relation entre la performance du palier et la teneur en argent. On a indiqué sur la fig. 13 les résultats de ces essais. Cette figure montre en outre l'effet résultant de la modification de la géométrie des dépressions obtenues par usinage. Tous les arbres sont de type normal et sont identiques à ceux décrits ci-avant, les coussinets étant eux-mêmes @ dentiques à ceux décrits précédemment, sauf en ce quiconcerne les variations intentionnelles des rainures usinées et les modifications de composition de l'alliage.
Tous les échantillons ont été essayés sous une charge statique correspondant à 2,700 kg à 83 tours/minutes, en utilisant de l'air comme agent de circulation. Pour simplifier la présentation des données, on a indiqué en ordonnées sur la fig. 13 la somme de l'usure diamétrale de l'arbre et de la moitié de l'usure diamétrale du coussinet, et on a porté en abscisses les indications des largeurs des rainures, exprimées en mm, ainsi que le pourcentage d'argent en poids dans l'alliage.
Les références 53 à 60 indiquent les résultats des essais effectués sur des échantillons identiques, sauf en ce qui concerne la composition des incrustations tendres. Le mode de présentation utilisé pour ces résultats est destiné à indiquer l'effet, sur la performance obtenue, des variatiens du pourcentage d'argent utilisé dans l'alliage d'argent.
De préférence, au cours de ces essais, tous les alliages
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devraient renfermer les mêmes éléments en combinaison avec de l'argent, la seule modification concernant le pourcentage d'argent dans chacun d'eux. Malheureusement, les alliages d'argent de ce type ne peuvent pas être obtenus aisément, Il a donc été nécessaire de soumettre aux essais les alliages pouvant être obtenus, et pour cette raison les éléments d'alliages qui ne sont pas formés par de l'argent sont différents. Ainsi, la référence 53 correspond à la performance d'un échantillon renfermant un alliage formé de 85% d'argent et de 15% de manganèse.
La composition qui correspond à l'échantillon représenté en 54 correspond à 58/60 % d'argent, 26/28% de cuivre, 11,13 % de zinc et , 1-2% d'étain. La référence 55 rorrespond à une composition renfermant 50 % d'argent, 15,5 % de cuivre, 15,5 % de sine$ 16 56 de cadmium et 3 % de nickel. Les références 56 et 57 correspondent à un alliage renfermant 31,5 % d'argent, 34 % de cuivre, 15,5 % de sine et 19 % de cadmium. La référence 50 correspond à un alliage renfermant 15 % d'argent, 80 % de cuivre et 5 % de phosphore. La référence 59 correspond à un alliage renfermant 7 % d'argent, 8 % d'étain et 85 % de cuivre.
La référence 60 correspond à une quantiténulle d'argent, les éléments du système ne comportant pas de rainures (c'est-à-dire que les arbres et les coussinets sont normaux).
Bien que les constituants des alliages qui ne sont pas formés par de l'argent soient différents des uns des autres, il demeure évident que, plus la teneur en argent est élevés plus la performance est intéressante.
Les modifications de la forme géométrique des fentes profondes remplie'! d'alliage ont une influence négligeable sur la performance de ces paliers, ce qui est en soi remarquable. La référence 53 indique les résultats obtenus quand on utilise 23 rainures d'une largeur de 1,6 mm,chacune,
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séparées par des plages en métal de base ayant une largeur égale à 1,6 mm, La référence 61 désigne un système comportant 17 rainures d'une largeur de 2,4 mm séparées par des plages ayant également 2,4 mm.
La référence 62 désigne un système comportant 11 rainures ayant une largeur de 3, 2 mm séparées par des plages ayant également 3,2 mm, La référence 63 désigne un système comportant 4 rainures d'une largeur de 2,4 mm écartées de 90 , les piages ayant environ 15 mm. delarge. La référence 64 désigne un système comportant une rainure hélicoïdale d'une largeur de 1,6 ma usinée selon un pas tel que l'on obtienne une rainure par cm. Toutes les rainures prévues dans les systèmes correspondant aux rectangles 53 et 61 à 64 ont une profondeur égale à 1,2 mm et contiennent un alliage tendre renfermant 85% d'argent et 15% de manganèse.
Ainsi, les résultats des essais n'indiquent qu'une faible différence de performance entre les coussinets ayant des rainures de formes différentes. Les fig. 5A, 5B, 5C, 5D et 5E illustrent plusieurs types possibles de dépressions obtenues par usinage qui peuvent être utilisées pour les paliers lisses principaux compte tenu des résultats obtenus.
Les références 56 et 57 désignent des rectangles indiquant les résultats d'essais qui montrent qu'une liaison entre l'alliage tendre et le métal de base n'est pas nécessaire. Les coussinets désignée par la référence 56 renferment un alliage tendre formé par 31,5 % d'argent, 34 % de cuivre, 15,5 % de sine et 19 % de cadmium, qui est introduit à l'état solide, à la température ambiante, dans des fentes d'une largeur de 1,6 mm. Le coussinet correspondant à la référence 57 renferme le même alliage, qui est lié au métal de base par rotation du système alors que l'alliage tendre est à l'état fondu, comme décrit plus loin.
On voit que le coussinet 56 renfermant l'alliage introduit mécaniquement soutient de façon satisfaisante la comparaison avec le coussinet 57.
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Des recherches ont montré que des coussinets suivant l'invention ne fonctionnent pas de façon exceptionnellement bonne quand le milieu ambiant renferme de grandes quantités d'agent de contamination abrasif. Il semble que les particules abrasives tendent à pénétrer dans les incrustations tendres, en créant ainsi une surface chargée d'abrasif qui use la zone de contact de la surface de portée immobile.
Pour tenter de transférer l'usure à la surface de contact plus grande (surface périphérique interne) de l'organe rotatif, on ménage, dans la surface fixe d'échantillons analogues au point de vue aspect à la partie en saillie du système repré- senté sur la fig. 4, des fentes remplies de métal tendre. Dans ces échantillons, l'élément rotatif est formé par un coussinet normal en acier AISI 430 tel que décrit précédemment.
Les arbres sont en acier AISI 8,720, traités thermiquement et durcis ou trempés en surface de la manière précédemment dé- crite, et ils présentent des incrustations tendres déposées dans des fentes longitudinales par brasage, ces incrustations étant formées par un alliage renfermant 85% d'argent et 15% de manganèse. La fig. 14 indique les résultats d'essais effectués sur des échantillons montés à rotation autour d'un arbre horizontal et soumis à l'effet d'une charge statique verticale de 2,700 kg, à une vitesse de rotation égale à
83 tours/minute.
On a porté en abscisses les temps en heures nécessaires pour que l'usure sur le diamètre atteigne 2,5 mm,
Les références 65 et 66 se rapportent respectivement aux résultats obtenus avec des arbres normaux (pas d'incrustations tendres) et avec des arbres comportant des incrustations en métal tendre au cours d'un essai effectué dans de l'air à titre d'agent de circulation. Les références 3 et 68 indiquent respectivement les résultats obtenus avec des arbres normaux et des arbres présentant des incrustations en métal tendre lors d'essais effectués dans un milieu de circulation formé par
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une boue de bentonite et de silice, qui est le fluide de circulation communément utilisé dans le tubage et le trou foré au cours du forage de puits de pétrole.
Cet agent ' renferme des agents de contamination qui pénètrent dans les paliers des trépans non étanches, ce qui pose ainsi en pratique un problème courant.
Comme indiqué par la référence 68 sur la fig. 4, l'invention fournit, lorsqu'elle est appliquée à la surface de portée fixe, une amélioration très nette dans le cas de l'utilisation d'un agent de circulation chargé d'agents de contamination, Quand on fait circuler de l'air à travers le palier, on obtient une amélioration très importante comme indiqué par la référence 66. Ainsi, l'application de l'invention à la surface de p@@tée fixe est prouvée, et les fig. 4, 4A, 6A et 6B illustrent quelques formes géométriques possibles utilisables pour les fentes.
Etant donné que l'invention peut s'appliquer avec succès à la fois aux surfaces de portésa rotatives et fixes, on effectue un essai pour déterminer la performance d'un palier dans lequel l'invention a été appliquée simultanément aux deux surfaces. La surface est formée par un coussinet renfermant un alliage formé de 85% d'argent et 15% de manganèse, appliqué dans des fentes d'une largeur de 1,6 mm, et d'une profondeur de 1,2 mm, séparées par des plages d'une largeur de 1,6 mm.
Le métal de base est formé par une couche de revêtement à base de fer durci en surface, recouvrant un arbre en acier AISI 8.720 traité thermiquement de la manière indiquée précédemment. Une rainure hélicoïdale d'une largeur de 1,6 =.environ est taillée dans le métal de base durci en surface, en formant une spire complète s'étendant sur 360 . Cet échantillon, essayé à l'air, s'use de la même manière que l'échantillon
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correspondant au rectangle 53 sur la fig. 13, ce qui indique que l'invention peut être appliquée simultanément à la surface rotative et*la surface fixe du palier.
Des essais ont été effectués avec des résultats satis- faisants pour déterminer la possibilité d'appliquer l'invention à des surfaces lubrifiées par de l'huile ou de la graisse, Les systèmes utilisés au cours de ces essais sont analogues à celui représenté sur la fig. 2 pour un trépan de forage du sol, la référence 36 désignant la surface de portée à laquelle l'invention est appliquée. Le système est rempli de lubrifiant et est rendu étanche à la partie arrière de la molette par un joint 37, qui est formé par un ressort métallique en forme de cuvette recouvert de manière élastique. On a fait travailler de tels trépans dans des conditions usuelles pour les trépans servant au forage du sol.
Les résultats obtenue indiquent que, tant que le joint 37 fonctionne de façon correc- te, les paliers lisse$ fournissent un fonctionnement comparable à celui obtenu dans les trépans comportant des roulements à rouleaux du type représenté sur la fige 1. Ainsi, les rouleaux peuvent être supprimés, et qui augmente la résistance et la simplicité des paliers des trépans. On soumet plusieurs types d'échantillons à des essais, y compris des types comportant des fentes remplies d'incrustations prévues dans les paliers principaux des molettes, d'une manière analogue à celle indiquée sur les fig. 5A, 5B et 5C.
On ne note que très peu de différence au point de vue per- formance, comme pour les essaie analogues effectués sur les paliers de ne* ou paliers terminaux décrits précédemment.
Toutefois, quand le joint 37 vient à se rompre, l'extrusion des incrustations cendres a partir des fentes des molettes rotatives est plus rapide que cela n'est désirable, probablement à cause des agents de contamination qui sont présents
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dans la boue de forage. Les essais de laboratoire décrite ci-avant montrent que l'application de l'invention à l'élément fixe( comme montré sur les fige 6A et 6B) permet de remédier à cet inconvénient. La référence 69 désigne les fentes remplies d'alliage tendre et la référence 70 les zones alternées en métal de base dur résistant à l'usure.
Un autre mode de mise en oeuvre de l'invention appliquée aux éléments fixes est représenté sur la fig. 4A, sur laquelle la référence 38 désigne l'arbre fixe, qui est équipé d'un palier lisse comportant des baguettes d'incrustation tendres 39 s'opposant au grippage, des plages en acier trempé 40 et une bande circonférentielle 40' en alliage dur, par exemple à base de fer ou de cobalt. Ce système est obtenu par application d'un alliage dur et usinage des rainures dans celui-ci et dans l'acier. Les incrustations tendres sont appliquées dans les fentes comme dans les autres systèmes, puis rectifiées. Etant donné que la bande d'alliage 40' est dure, des bandes alternées de métal dur et de métal tendre sur une même face sont obtenues, suivant 1*' invention.
Bien entendu, l'alliage tendre 39 peut être .introduit dans de l'acier trempé sans utiliser l'alliage dur 40',comme montré sur la fig. 4.
Une autre application encore de l'invention est repré- sentée sur la fig, 9, qui est une vue en perspective de l'axe-pilote, désigné par la référence 22'. Dans un tel système, il est usuel d'utiliser un métal dur en alliage à base de cobalt dénommé "Stellite", comme indiqué par la référence 41, pour résister aux poussées transmises par le disque de butée 14' visible sur la fig. 10. Une telle incrustation en métal tendre peut être utilisée dans cette zone du fait des résultats obtenus lors d'une application à d'autres surfaces de portée immobiles. Une autre surface utilisée parfois pour résister aux poussées est indiquée en
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41'. Elle est souvent dénommée bride de butée.
L'invention peut être utilisée pour cette surface par application d'incrustations en métal tendre 42 dans des fentes telles que celles représentées,
Comme indiqué précédemment, les résultats optima sont obtenus en utilisant une matière d'incrustation tendre renfermant un pourcentage élevé d'argent, ou bien de l'argent ' sans élément additionnel. L'argent pur se comporte à tous égards d'une façon analogue à celle d'un alliage renfermant 85% d'argent et 15% de manganèse, mais il est plus difficile à obtenir et plus coûteux. Toutefois, d'autres métaux disposés dans la partie inférieure de la série électromotrice peuvent être utilisés suivant l'invention, à condition qu'ils soient tendres et qu'ils présentent des caractéristiques anti-friction ou s'opposant au grippage.
On peut citer par exemple le plomb, l'étain, le cuivre, l'antimoine, le rhodium, le platine, le palladium, l'or, l'indium, le bismuth, le béryllium, le zinc, l'alliminium, etc, séparément ou en combinaison.
L'exemple de fabrication mentionné ci-avant indique que les incrustations tendres sont introduites dans les fentes de la surface de portée carburée par brasage, le système en métal de base dur étant ensuite trempé à l'huile ou à l'air à partir dune température de 927 à 940 C. Ce processus donne satisfaction si la matière formant les incrustations a une température de fusion supérieure à 927 C, comme l'argent ou un alliage formé de 85% d'argent et de15 % de manganèse.
Autrement, l'alliage fond pendant la trempe. Ce processus donne également satisfaction si l'alliage tendre a une température de fusion tellement basse qu'il puisse être déposé dans les fentes par fusion après durcissement du métal de base sans recuit de celui-ci. Le plom& et l'étain, par exemple, fondent respectivement à 3499 et 232 C, ces deux températures étant suffisamment faibles pour ne pas modifier la dureté du
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métal de base. Si les métaux choisis ne satisfont pas aux conditions précitées, le métal de base est ramolli, éventuellement à un degré tel qu'il perd sa résistance à l'usure et ses caractéristiques anti-abrasives.
En conséquence, un nouveau procédé a été créé pour remédier à cet inconvénient. Ce procédé consiste à introduire le métal tendre dans le coussinet carburé à l'état solide, sans serrage, et à rendre étanches les deux extrémités du système. Ce système est ensuite disposé dans un tour ou une autre machine capable d'assurer sa rotation autour de son axe longitudinal. Pendant la rotation de la pièce, habituellement à une vitesse variant entre 700 et 900 tours/ minute, cette pièce est chauffée à une température suffisante pour provoquer la fusion du métal rendre et à partir de la- quelle le métal dur peut être refroidi brusquement ou trempé.
La force centrifuge engendrée par la rotation refoule le métal en fusion dans les fentes, et un refroidissement ultérieur par un courant de fluide dirigé sur le système rotatif solidifie ce métal tendre et durcit le métal de base.
En outre, les incrustations tendres peuvent être introduites par des moyens mécaniques dans les fcntes usinées, ce qui correspond à une variante de mise en oeuvre de l'invention.
Ce processus est particulièrement avantageux dans le cas d'alliages à base de cadmium, étant donné que, lorsqu'il fond, cet élément émet des gaz ayant des effets nocifs cumulatifs sur les êtres humains, à cause de sa nature toxique. Des .résultats encourageants ne sont pas obtenus lors de l'utilisa- tion d'un alliage à base de cadmium, mais la possibilité d'emploi d'incrustations introduites mécaniquement est néanmoins prouvée. L'alliage d'argent, par exemple, peut être introduit mécaniquement dans les fentes en donnant des résultais intéressante, comme cela est indiqué par des résultats illustrés en sur la fig. 13.
Par suite, ce processus peut être utilisé
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cerne autre méthode d'application du métal tendre ai, pour une raison quelconque, l'une des deux méthodes précédentes n'est pas applicable.
Les avantages qui sont obtenus lors de la mise en oeuvre de l'invention décrite ci-avant apparaissent maintenant.
La combinaison, sur une surface de portée, de bandes alternées de métaux fournissant une surface composite ayant une résistance excellente à l'usure et à l'abrasion, ainsi que des caractéristiques anti-friction et s'opposant au grippage, est particulièrement importante.
En outre, l'utilisation d'incrustations en métal tendre ayant uns épaisseur considérable par rapport à l'épaisseur de la base en métal dur conserve le. avantages du matériau com- posite, même quand une usure très importante s'est produite.
Par ailleurs, le fait que les particules d'incrustations en métal tendre s'étalent sur la surface de portée pour fournir des résultats remarquables permet l'application du métal tendre sans exiger de liaison entre les métaux dur et tendre. Cette constatation permet ainsi l'utilisation de systèmes ne comportant qu'un nombre relativement faible de fentes remplies de métal tendre, de sorte que de petites quantités de métaux tendres coûteux sont seules nécessaires.
L'invention permet le remplacement des roulements à rouleaux ou à billes des systèmes tels que les systèmes de paliers pour trépans par des paliers lisses. Ceux-ci augmentent la résistance et la durée de service des trépans assemblés, en fournissant pour les paliers une durée de service qui est presque égale à celle du système de coupe.
Des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrit", dans le domaine des équivalences techniques, sans s'écarter de l'invention.